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Current Scientific News and Reports of the OePG

University of Innsbruck - Error-Free Quan­tum Com­put­ing Gets Real

Artist impression of gate operations on logical quantum bits, that are protected from faults by means of quantum error correction. Copyright: Johannes Knünz

For quantum computers to be useful in practice, errors must be detected and corrected. At the University of Innsbruck, Austria, a team of experimental physicists has now implemented a universal set of computational operations on fault-tolerant quantum bits for the first time, demonstrating how an algorithm can be programmed on a quantum computer so that errors do not spoil the result.

In modern computers errors during processing and storage of information have become a rarity due to high-quality fabrication. However, for critical applications, where even single errors can have serious effects, error correction mechanisms based on redundancy of the processed data are still used.

Quantum computers are inherently much more susceptible to disturbances and will thus probably always require error correction mechanisms, because otherwise errors will propagate uncontrolled in the system and information will be lost. Because the fundamental laws of quantum mechanics forbid copying quantum information, redundancy can be achieved by distributing logical quantum information into an entangled state of several physical systems, for example multiple individual atoms.

The team led by Thomas Monz of the Department of Experimental Physics at the University of Innsbruck and Markus Müller of RWTH Aachen University and Forschungszentrum Jülich in Germany has now succeeded for the first time in realizing a set of computational operations on two logical quantum bits that can be used to implement any possible operation.

“For a real-world quantum computer, we need a universal set of gates with which we can program all algorithms,” explains Lukas Postler, an experimental physicist from Innsbruck.

Fundamental quantum operation realized

The team of researchers implemented this universal gate set on an ion trap quantum computer featuring 16 trapped atoms. The quantum information was stored in two logical quantum bits, each distributed over seven atoms. Now, for the first time, it has been possible to implement two computational gates on these fault-tolerant quantum bits, which are necessary for a universal set of gates: a computational operation on two quantum bits (a CNOT gate) and a logical T gate, which is particularly difficult to implement on fault-tolerant quantum bits.

“T gates are very fundamental operations,” explains theoretical physicist Markus Müller. “They are particularly interesting because quantum algorithms without T gates can be simulated relatively easily on classical computers, negating any possible speed-up. This is no longer possible for algorithms with T gates.”

The physicists demonstrated the T-gate by preparing a special state in a logical quantum bit and teleporting it to another quantum bit via an entangled gate operation.

Complexity increases, but accuracy also

In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone. The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.

“The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations,” Thomas Monz is pleased to report. “The effort and complexity increase, but the resulting quality is better.”

The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.

The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.

Financial support for the research was provided, among others, by the European Union within the framework of the Quantum Flagship Initiative as well as by the Austrian Research Promotion Agency FFG, the Austrian Science Fund FWF and the Federation of Austrian Industries Tyrol.

Publication: Demonstration of fault-tolerant universal quantum gate operations. Lukas Postler, Sascha Heußen, Ivan Pogorelov, Manuel Rispler, Thomas Feldker, Michael Meth, Christian D. Marciniak, Roman Stricker, Martin Ringbauer, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Markus Müller, and Thomas Monz. Nature 605, 675–680 (2022) doi: 10.1038/s41586-022-04721-1[arXiv:2111.12654]

link zum Artikel der Univ. Innsbruck


 

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Austrian Young Physicists` Tournament (AYPT)

(c) AYPT

 

Österreichische Nachwuchsphysiker und -physikerinnen bewiesen sich beim 24. Austrian Young Physicists‘ Tournament


Von 7. bis 9. April fand das Austrian Young Physicists‘ Tournament (AYPT) zum 24. Mal statt. Dieser Schülerwettbewerb wird jährlich als Qualifikationsbewerb für den internationalen Bewerb, das International Young Physicists‘ Tournament (IYPT), das auch als Physikweltmeisterschaft bekannt ist, abgehalten. Dort diskutieren Teams aus je drei Schülerinnen und Schülern Lösungen zu 17 Aufgaben, die zuvor im Team sowohl experimentell als auch theoretisch von den Teams erarbeitet worden waren.

Ein naturwissenschaftlicher Wettbewerb der anderen Art

Während viele beim Gedanken an naturwissenschaftliche Wettbewerbe an einen ruhigen Raum mit über Tests gebeugte Schülerinnen und Schüler denken, läuft das beim AYPT und IYPT anders: Im Team erarbeiten die Schülerinnen und Schüler angewandte Aufgabenstellungen bereits vor dem Wettbewerb unter Zuhilfenahme aller zur Verfügung stehenden Ressourcen. Zum Beispiel beobachteten und beschrieben sie den Wirkungsgrad einer Papierspirale über einer Kerze, wie ein dreiseitiger Würfel aussehen muss oder wie man Lautstärke nur mit einer CD und einem Torsionsfaden messen kann.

Ausgezeichnetes physikalisches und mathematisches Verständnis der Schülerinnen und Schüler sind dafür Grundvoraussetzung, doch auch die Teamarbeit und klare Präsentation und kritische und faire Diskussion der Lösung auf Englisch beim Wettbewerb sind wichtige Fähigkeiten, die die Teilnehmerinnen und Teilnehmer unter Beweis stellen müssen. Die Gesamtleistung wird durch ein motiviertes Team an internationale hochqualifizierte Juroren bewertet.

Zum ersten Mal seit 2019 wieder vor Ort in Leoben

Aufgrund der Corona-Pandemie wurde das Turnier die letzten Jahre im online-Format abgehalten. Umso erfreulicher war es für alle Teilnehmer*innen dass das Turnier dieses Jahr wieder auf der Montanuniversität in Leoben stattfinden konnte. Mit viel Engagement und Kreativität wurden spannende Lösungen für die Aufgabenstellungen erarbeitet und präsentiert. Gleichzeitig fand auch ein grenzüberschreitender Austausch zwischen den Teilnehmer*innen aus ganz Österreich und vielen europäischen Ländern bis Georgien statt.

Team aus Georgien gewinnt das 24. AYPT knapp vor dem APP Innsbruck

Im Laufe des Turniers kristallisierten sich rasch die drei Favoriten, das Team vom APP Innsbruck, das ungarische Team und das Team aus Georgien, heraus. Über drei Vorrunden qualifizierten sich die drei Teams für das Finale am Samstagnachmittag, welches das georgische Team mit knappem Vorsprung vor den Innsbruckern gewann. Zweitbestes österreichische Team und Gewinner einer Bronzemedaille wurde das BG/BRG Villach.

Österreichisches Team für das IYPT steht fest

Auf Basis der gezeigten Leistungen während des Turniers wurden fünf Schülerinnen und Schüler für das IYPT-Team 2022 ausgewählt: Haolei Zhang (Villach), Elias Koschier (Wien), Jeremias Costa (Innsbruck), Riedle Thomas (Innsbruck) und Moritz Mattersberger (Villach). Ihnen steht nun eine intensive Vorbereitung auf den internationalen Wettbewerb bevor. Das Turnier findet vom 15. Juli bis zum 23. Juli in Timisoara, Rumänien statt. Dafür wünschen wir dem österreichischen Team viel Erfolg und danken unseren Sponsoren, ohne die die optimale Vorbereitung und Teilnahme der Schüler nicht möglich wäre: Erasmus+, Bundesministerium für Klimaschutz, Umweld, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie, Österreichische Physikalische Gesellschaft, Ströck, Anton Paar, Infineon, SchülerInnen Forschungszentrum Wien, Rotary Club Leoben, Europa-Gymnasium Leoben, das Land Steiermark und die Stadt Leoben.

Teilnahme am AYPT

Des Weiteren möchte wir darauf hinweisen, dass interessierte Schüler*innen und Lehrer*innen nächstes Jahr abermals die Möglichkeit zur Teilnahme am Bewerb haben. Der Verein AYPT – Österreichische Physikmeisterschaft steht bei Fragen gerne zur Verfügung (email an info.aypt.at) und des Weiteren bietet er Ende November ein alljährliches get-started-with-AYPT Vorbereitungstreffen an, an welchem Schüler*innen und Lehrer*innen herzlichst eingeladen sind teilzunehmen.

 

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Graz Center of Physics: A decision has been made in the architectural competition

The design is organised on six upper floors and two basement floors. Two highlights: the city terrace, which can also be reached via external stairs, and five wood-clad lecture halls on the ground floor. © Aberjung GmbH
The University of Graz, TU Graz, BIG and Ministry of Science present the winning project of the architectural competition – This is what the new Graz Center of Physics will look like. (© Aberjung GmbH)

The Graz Center of Physics is one of the largest university construction projects in Austria. It will unite the physics institutes of the University of Graz and Graz University of Technology (TU Graz) at a common location and will be built by 2030 on the campus of the University of Graz in place of the current “Vorklinik” (preclinical) building. With the Graz Center of Physics, the universities will further strengthen synergies in research, teaching and infrastructure and help physics in Graz to achieve even greater international visibility. In this branch of science, as in other natural science disciplines, the University of Graz and TU Graz have been cooperating very successfully since 2006 under the name NAWI Graz.

The starting signal for the large-scale construction project was given in spring 2021. Following the conclusion of the EU-wide architectural competition, the Ministry of Science, the Bundesimmobiliengesellschaft (BIG), the State of Styria, the City of Graz and the two universities now present the winning project

Decision in favour of architects fasch&fuchs.architekten

The competition called for inspiring and inviting architecture for teaching and research as well as urban integration into the surroundings. At the same time, a substantial total area of 50,000 square metres was to be organized for up to 1,700 students and 600 employees of the University of Graz and TU Graz on a footprint as small as possible in the densely built-up inner-city district of Geidorf in Graz. These requirements were met by architects fasch & fuchs.architekten with their design for a compact and well-structured new building.

Plenty of space for research, lecture halls with wood and a city terrace

The design is compactly organized on six upper floors and two basement floors. The ground floor zone is accessible to the public and has a generous room height of 5.6 metres. Five wood-clad lecture halls, the largest for 600 people, are housed here. The impressive assembly hall, characteristic of the fasch & fuchs signature, extends over several floors. Imposing staircases and connecting bridges turn the foyer into a veritable spatial experience.

Above the ground floor is a two-storey homogeneous structure with laboratory space and the associated offices. This is organized around atriums, and vertical louvres on the façades direct the natural light far into the interior of the building and at the same time protect it from sunlight.

Above this is the floor with the so-called city terrace. This is also accessible from the outside via two generous outdoor staircases. A café will be set up here, and there will be seminar and study areas. The city terrace connects the university building with the city and at the same time forms a caesura to the uppermost structure, which recedes and thus puts the extensive volume of the building into perspective. There are offices here on three levels. They are connected vertically with the laboratory areas in the basement via stairs and lifts. The laboratories located there are intended for research work with highly sensitive research equipment. These include optics laboratories, where no natural light is allowed to penetrate, and electron microscopy, which cannot tolerate any vibration.

Sustainable and energy-saving

Special hollow-core ceilings are used in the construction, which use less concrete than conventional reinforced concrete ceilings and can also be used for heating and cooling via thermal component activation. Geothermal energy is used to generate energy. In winter, heat is extracted from the ground for heating, and at the same time it is cooled. The stored cold can in turn be used for cooling in summer. Electricity is generated by photovoltaics; roofs will be intensively greened. Overheating in summer is counteracted by light-directing horizontal louvres. Throughout the building there are atriums and light wells that allow daylight to penetrate down to the basement levels.

Subsequent timetable

The planning phase will begin in the next few months. The Graz Center of Physics will be built on the site of the current preclinical building (Harrachgasse 21, 8010 Graz), which will be demolished for the construction project. The demolition will take place after the Institute of Anatomy of the Medical University of Graz has moved out, is scheduled to start in autumn 2023 and will take around six months. Construction is scheduled to begin in autumn 2024. In 2030, the handover to the two universities is planned.

The existing preclinical building from 1976 could not have been adapted for the complex requirements of the Graz Center of Physics. The neighbouring residents will be kept informed about the planning and construction work. An initial information event is planned for next year.

BIG is investing 313 million euros in the new building, which will be refinanced by the Ministry of Science through rents. In addition, 41 million euros will be spent on furnishings and equipment, half of which will be paid by the two universities and the other half by the federal government.

Comments on the winning design for the Graz Center of Physics

„By bringing the physics institutes of TU Graz and the University of Graz together under one physical roof, the exchange of knowledge and information and thus the cooperation in teaching and research between the experts of both universities will reach a new level. I am very happy for all the staff, as well as for all the students from the field of physics, that this common roof is part of such a successful architectural design. The Graz Center of Physics will be a striking eye-catcher and attractive fixture in Graz’s university quarter and will make physics in Graz even more prominent and internationally visible.“ Harald Kainz, Rector of TU Graz

“In the NAWI Graz teaching and research cooperation, the University of Graz and TU Graz have been working together successfully in the field of natural sciences for almost two decades. The fact that it is now also possible to spatially combine the physics institutes of both universities in one building and thus bundle research and teaching at one location is an additional plus. The new centre will help us to bring even more top international research to Graz. In addition to the sustainable and modern construction, I expect a visual gain for the campus of the University of Graz. The Graz Center of Physics will integrate seamlessly into the existing building infrastructure and enhance the whole neighbourhood in terms of urban development.” Martin Polaschek, Rector of the University of Graz

“The Center of Physics in Graz will be a new, modern and sustainable university building. I am particularly pleased that this building project will give the outstanding scientific achievements of the University of Graz and TU Graz more visibility, also beyond the country’s borders. I look forward to the realization of this ambitious building project by 2030.” Heinz Faßmann, Federal Minister of Education, Science and Research

“With the Graz Center of Physics, a university flagship of the natural sciences is being created in Styria. This will enable the University of Graz and TU Graz to make even better use of synergies in the future. As the number one research state, Styria is once again in the spotlight with the state-of-the-art centre and underlines the outstanding quality of our university location. I am extremely pleased that the decision of the architectural competition will create the best conditions for students as well as staff, research and teaching.” Hermann Schützenhöfer, Governor of Styria

“I am delighted that this exciting project is now entering the implementation phase. The urban planning challenge of integrating modern architecture into a Gründerzeit quarter has been successfully met here. The planned ‘city terrace’ will open up the project to the city, which is particularly important to me. Graz as a university location will be further enhanced.” Judith Schwentner, Vice-Mayor of the City of Graz

“The Graz Center of Physics is currently one of the largest university construction projects in Austria. The design by fasch&fuchs.architekten envisages a climate-friendly building that blends in well with its surroundings despite its size. Of particular architectural interest are the two open staircases leading to a large city terrace and the six-storey high assembly hall with connecting bridges. The new building will be realized according to BIG’s particularly high sustainability standards. With the construction of the Graz Center of Physics, BIG is creating the framework conditions for top-level scientific research and teaching. For Styria, it is another building block that makes the federal state attractive as a high-tech and research location.” Hans-Peter Weiss, CEO of BIG

link to article at TU Graz page

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ÖPG Preisverleihung in Innsbruck

Gruppenbild der Preisträger:innen der ÖPG und SPS

Folgende ÖPG Preise wurden im Rahmen der gemeinsamen Jahrestagung der ÖPG und SPS in Innsbruck überreicht:


ÖPG Schüler:innen Preis

für herausragende Vorwissenschaftliche Arbeiten

  • Elias Hohl (Bischöfliches Gymnasium Graz)
  • Julius Hussl (BG BRG 4 Wien)
  • Ida Stettner (Akademisches Gymnasium Graz)

Studierenden-Preis der ÖPG

für herausragende Master oder Diplomarbeiten

  • DI Sebastian Stock
  • DI Maximilian Schober

Victor Franz Hess Preis

für herausragende Dissertationen im Feld der Nuklear- und Teilchenphysik

  • Dr. Thomas Madlener (2020)
  • Dr. Frederic Brünner (2021)

Roman Ulrich Sexl Preis

für Beiträge zu motivierenden und effizienten Physikunterricht

  • Prof. Mag. Nikolaus Unterrainer (2020)
  • Prof. Mag. Dr. Ilse Bartosch (2021)

Fritz Kohlrausch Preis

für Arbeiten eines Nachwuchsphysikers bzw. einer Nachwuchsphysikerin auf dem Gebiet der experimentellen Physik

  • Dr. Karin Hain (2020)
  • Dr. Aleksandar Matkovic (2020)

Ludwig Boltzmann Preis 2021

für Arbeiten eines Nachwuchsphysikers bzw. einer Nachwuchsphysikerin auf dem Gebiet der theoretischen Physik

  • Dr. Farokh Mivehvar

 

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Internationales Gold für unsere jungen Forscher

Die Gold-Medaille strahlt fast wie die Schüler (ganz links und rechts, die Teamleader Anatol Beck und Paul Worm, in der Mitte von links nach rechts die Schüler: Jeremias Costa, Simon Gfreiner, Rohan Walia, Haolei Zhang und Miro Joensuu)

 

Das österreichische Nationalteam errang dieses Jahr beim International Young Physicists‘ Tournament (IYPT) Gold. Der Bewerb wird seit 1988 mit Teams aus aller Welt an verschiedenen Orten auf der Welt ausgetragen, dieses Jahr durfte Georgien die jungen Forscher vom 7.7. bis zum 14.7. begrüßen.

Wie ist das Team aufgebaut und was ist für einen Bewerb vorzubereiten?

Das Team besteht aus fünf Schülern zwischen 15 -18 Jahren aus verschiedenen Schulen in Österreich. Dieses Jahr kamen vier Schüler aus Villach: Simon Gfreiner (18), Miro Joensuu (18), Rohan Walia (16) und Haolei Zhang (17) und ein Schüler aus Innsbruck: Jeremias Costa (15). Diese Schüler werden im Vorbewerb, dem AYPT (Austrian Young Physicists‘ Tournament) von den Teamleadern ausgewählt. Die letzten zwei Jahre waren Anatol Beck und Paul Worm Teamleader des österreichischen Teams.

Was hat Österreich geschafft?

Österreich nimmt seit vielen Jahren an dem Bewerb teil und konnte das letzte Mal vor genau 10 Jahren das Finale erreichen. Dieses Jahr nahmen 15 Teams an dem Turnier in Georgien teil. In einem spannenden Finale zwischen Slowakei, Polen und Österreich konnte Polen den Pokal für sich entscheiden. Österreich errang knapp nach der Slovakei den dritten Platz und damit eine Goldmedaille. Es wurde zudem jeweils ein Preis vergeben für die drei Rollen: Reporter, Opponent und Reviewer. Auch hier konnte Miro Joensuu aus unserem Team den Preis für den besten Opponent des Turniers nach Österreich holen!

Wie läuft der Bewerb ab?

Der Bewerb erstreckt sich über eine Woche, in der die Teams ihr experimentelles und theoretisches Wissen und Können unter Beweis stellen. Dabei gibt es drei Rollen, die in insgesamt 5 Runden gegen jeweils zwei andere Teams eingenommen werden müssen. Reporter: In 12 Minuten muss der Schüler seine experimentellen Ergebnisse präsentieren, seine Theorie glaubhaft machen und diese mit dem Experiment schlüssig vergleichen. Opponent: dieser muss die Ergebnisse des Reporters während des Vortrags analysieren und diesen kritisch dazu für 10 Minuten befragen. Dabei soll er Schwachstellen in der Ausarbeitung finden, Stärken betonen und seine eigene Meinung dazu klar positionieren. Reviewer: Dieser muss Reporter und Opponent und besonders die Diskussion der beiden analysieren und die Ergebnisse zusammenfassen.

Wer am IYPT teilnehmen will hat einiges zu tun: Jedes Jahr bringt das Komitee des IYPT eine neue Liste mit 17 Aufgabenstellungen heraus, welche die Schüler auf ihre Art lösen müssen. Jeder Schüler nimmt sich 2-3 dieser Aufgabenstellungen heraus und arbeitet daran ein Jahr lang intensiv. Die Aufgaben sind insofern sehr spannend, als es nicht die klassischen Beispiele aus dem Physikbuch in der Schule sind ‚Peter wirft einen

Stein mit 5 m/s…wie schnell fährt sein Auto?‘ sondern knifflige Fragestellungen, auf die auch studierte Physiker oft keine konkrete Antwort haben oder nur vermuten können. Nur zur Illustration eines solchen Beispiels seien die sechseckigen Stürme auf den Polen des Saturn genannt. Es gibt keine Erklärung in der Wissenschaft bisher dafür, nur Ansätze, trotzdem war die Untersuchung dieses Phänomens eine Aufgabenstellung des letzten Jahres.

Dazu müssen die Schüler sich jeweils einen experimentellen Aufbau überlegen, der dieses Phänomen kontrolliert untersuchen kann. Zudem muss eine Theorie ausgearbeitet und diese mit den Experimenten verglichen werden. Das alles machen die jungen Physiker neben der Schule und ihren sonstigen Aktivitäten. Mit Haolei Zhang haben wir etwa ein Badminton Ass der ersten Bundesliga in Österreich bei uns und mit Miro Joensuu und Rohan Walia zwei Teilnehmer der Internationalen Physik Olympiade 2021 usw., einfach bewundernswert!

Die Zusammenarbeit, Hilfestellungen bei der Theorie oder den Experimenten, Auftreiben von Sponsoring, sowie die Organisation rund um den Bewerb werden von den Teamleadern Großteils getragen. Die Teamleader werden aber häufig von Freiwilligen unterstützt, die oft auch selbst ehemalige Teilnehmer waren.

Erschwerte Bedingungen:

Im Gegensatz zu vielen anderen Teams des Bewerbs konnten sich die Schüler nirgends für die Vorbereitungen zum Bewerb treffen und mussten die Experimente von zuhause aus machen. Das ist allerdings schwierig, da die Experimente vom Aufbau und von der Durchführung her aufwändig sind. Die Leistung der Schüler ist daher besonders groß.

IYPT Homepage

 

 

 

 

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Roman Ulrich Sexl-Preis und ÖPG Schüler:innen Preis 2020

Roman Ulrich Sexl-Preis und ÖPG Schüler:innen Preis 2020

Da die traditionelle Preisverleihung im Rahmen der ÖPG Jahrestagung der Ausbreitung des Corona Virus zum Opfer gefallen war, wurde diese nun in einem Online-Meeting nachgeholt. Folgende Preise wurden dabei vergeben:

Roman Ulrich Sexl-Preis

Mag. Nikolaus Unterrainer, Universität Salzburg

ÖPG Schüler:innen Preise 2020

für herausragende Vorwissenschaftliche Arbeiten:

  • Lucas Hörl, BG/BRG Purkersdorf

Quantenmechanische Modelle und ihre Anwendungen beim Wasserstoffatom

  • Nikolaus Juch, Modellschule Graz

Entwurf und Konstruktion einer musikspielenden Teslaspule

  • Dilan Öztürk, GRG 10 Wien

Theoretische Grundlagen der Dichtefunktionaltheorie

Theoretische Erläuterung der praktischen Anwendung der Theorie anhand von Graphit und Diamant

  • Sebastian Schmidt, BGN Salzburg

Über die Erweiterung unseres Verständnisses von  Raum und Zeit durch Spezielle Rlativität

A Mathematical and Graphical Work

  • Patrick Styll, BG/BRG Gmünd

Wettervorhersage anhand von Wolkenbildern

 

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